О механизме химического связывания азота воздуха в условиях теплового взрыва смесей нанопорошка алюминия с оксидом тантала

Abstract

Актуальность исследования. Предлагаемая новая технология получения тугоплавких нитридов имеет ряд преимуществ: низкие энергозатраты, отсутствие необходимости в сложном оборудовании, для получения нитридов используется азот воздуха, процесс синтеза осуществляется при атмосферном давлении. Цель исследования: экспериментально определить составы продуктов сгорания смесей нанопорошка алюминия и пентаоксида тантала в воздухе и в жидком азоте. Объект: продукты синтеза нитрид тантала, полученные сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала. Методы: рентгенофазовый анализ (дифрактометр Дифрей-401), дифференциальный термический анализ (ДТА) (термоанализатор Q600 SDT, фирма Instrument). На основании результатов ДТА были рассчитаны четыре параметра активности смeсей: температура начала окисления (T н.о , °C), степень окисленности ( α , %), максимальная скорость окисления (v max , мг/мин), удельный тепловой эффект ( Ʌ Н, Дж/г). Рентгенофазовый анализ с использованием дифрактометра «Дифрей-401», излучение рентгеновской трубки Fe K α =0,193 нм. Результаты. Определены параметры активности смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала. Установлено, что температура начала окисления смесей равна или превышает 420 °С, т. е. смеси не пирофорны. Процесс горения, инициированный открытым пламенем, протекал в две стадии: при 600-900 и при 2200-2400 °С. Изучены продукты сгорания смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала в воздухе и в жидком азоте. Впервые экспериментально показано, что при горении нанопорошка алюминия в воздухе алюминий восстанавливает пентаоксид тантала, который взаимодействует с азотом воздуха, образуя кристаллический нитрид тантала Ta 2 N. Максимальный выход нитрида тантала при сгорании в воздухе с образованием кристаллической фазы Ta 2 N составлял 54 отн. %. Согласно РФА, также впервые в продуктах сгорания в жидком азоте смеси нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала обнаружены кристаллические фазы α - и β-тантала. В то же время нитрид тантала не обнаружен в продуктах сгорания образца в жидком азоте. Стабилизация металлической фазы тантала при взаимодействии нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала в условиях теплового взрыва подтверждает ранее сформулированное предположение о механизме образования тугоплавких нитридов. На первой стадии алюминий восстанавливает тантал до металла, и в условиях теплового взрыва и дезактивации кислорода (нетеплового процесса перехода триплетного кислорода в синглетный) происходит взаимодействие восстановленного металла с азотом.

The relevance of the research. The new proposed technology for obtaining refractory nitrides has several advantages: low energy consumption, no need for complex equipment, nitrogen is used to produce nitrides, synthesis is carried out at atmospheric pressure. The main aim of the research is to determine experimentally the composition of combustion products of aluminum nanopowder and tantalum pentoxide mixtures in air and in liquid nitrogen. Object: tantalum nitride synthesis product obtained by burning the aluminum nanopowder mixture with tantalum pentoxide in air. Methodsh: x-ray analysis (diffractometer Difrey-401), differential thermal analysis (DTA) (thermoanalyzer SDT Q600 Instrument company). According to the results of the DTA the authors have calculated four parameters of activity of the mixtures: oxidation onset temperature (T st.ox , °C), oxidation level ( α , %), maximal oxidation rate (v max , mg/min), specific thermal effect ( Ʌ Н, J/g). Results. The authors determined the parameters of activity of aluminum nanopowder with tantalum pentoxide mixtures. It is revealed that along with nitride and aluminum oxide in the products a crystalline phase of metallic tantalum is formed. The maximum yield of tantalum was 54 rel. %. It was shown experimentally that at aluminum nanopowder combustion in air, aluminum recovers tantalum pentoxide, which interacts with air nitrogen to form crystalline Ta 2 N tantalum nitride. According to X­ray, in the combustion products of a mixture of aluminum nanopowder with tantalum pentoxide, the crystalline phases of α - and β -tantalum are found. At the same time, tantalum nitride was not detected when the sample was burned in liquid nitrogen.